蒸気圧縮蒸発

蒸気圧縮蒸発は、ブロワー、コンプレッサー、またはジェットエジェクターを使用して圧縮し、生成された蒸気の圧力を高める蒸発方法です。蒸気の圧力が上昇すると凝縮温度も上昇するため、同じ蒸気が、最初に蒸気が生成された「母」液体または濃縮される溶液の加熱媒体として機能します。圧縮が行われない場合、蒸気は沸騰する液体/溶液と同じ温度になり、熱伝達は発生しません。

これは蒸気圧縮蒸留 (VCD)と呼ばれることもあります。圧縮が機械駆動のコンプレッサーまたはブロワーによって行われる場合、この蒸発プロセスは通常MVR (機械的蒸気再圧縮) と呼ばれます。高圧動力蒸気 エジェクターによって圧縮が行われる場合、このプロセスは通常、熱圧縮、蒸気圧縮、またはエジェクト圧縮と呼ばれます。^{[引用が必要]}

この場合、システムへのエネルギー入力はコンプレッサーのポンピングエネルギーになります。理論上のエネルギー消費量は に等しくなります 。ここで ${\displaystyle E=Q*(H2-H1)}$

• Eは理論上の総ポンピングエネルギーである
• Qはコンプレッサーを通過する蒸気の質量である
• H ₁、 H ₂はそれぞれコンプレッサーの上流と下流の蒸気の単位質量あたりの全熱量です。

SI単位では、それぞれkJ、kg、kJ/kgで測定されます。

実際のエネルギー入力は理論値よりも大きくなり、システムの効率によって変わります。システムの効率は通常 30% ～ 60% です。たとえば、理論上のエネルギー入力が 300 kJ で、効率が 30% だとします。実際のエネルギー入力は 300 x 100/30 = 1,000 kJ になります。

大型ユニットでは、圧縮電力は圧縮蒸気 1 トンあたり 35 ～ 45 kWです。 ^{[説明が必要]}

コンプレッサーは必然的にユニットの中核となります。この用途に使用されるコンプレッサーは、通常、遠心型、またはルーツブロワーなどの容積式ユニットで、ルーツ型スーパーチャージャー（はるかに小型）に似ています。非常に大型のユニット（蒸発容量 100 メートルトン/時以上）では、軸流コンプレッサーが使用されることがあります。圧縮作業により、理論的な圧力/温度平衡と比較すると過熱された蒸気が供給されます。このため、MVR ユニットの大半は、コンプレッサーとメイン熱交換器の間に 過熱防止装置を備えています。

ここで、エネルギー入力は、入口蒸気と出口蒸気の両方よりも圧力が高い 蒸気量 (駆動蒸気) のエネルギーによって与えられます。したがって、圧縮された蒸気の量は入口よりも多くなります。 ここで、Q _dはエジェクタ吐出時の蒸気量、Q _{s は}エジェクタ吸入時の蒸気量、Q _mは駆動蒸気量です。このため、熱圧縮蒸発器には、溶液を蒸発させるために必要な蒸気と比較して、圧縮に必要な蒸気が過剰になる可能性があるため、蒸気凝縮器が備わっていることがよくあります。単位吸入量あたりの駆動蒸気の量 Q _mは、駆動蒸気圧力と吸入圧力の駆動比と、吐出圧力と吸入圧力の圧縮比の両方の関数です。原則として、圧縮比が高く駆動比が低いほど、特定の駆動蒸気消費量が高くなり、エネルギー収支の効率が低くなります。 ${\displaystyle Qd=Qs+Qm}$

熱圧縮蒸発器の心臓部は明らかに蒸気エジェクタであり、関連ページで詳細に説明されています。メイン熱交換器、蒸気ヘッドなど (詳細については蒸発器を参照)などのその他の機器のサイズは、蒸発プロセスによって決まります。

これら 2 つの圧縮型蒸発器は、重複する場合もありますが、適用分野は異なります。

• MVR ユニットは、エネルギー消費量が少ないため、大型ユニットに適しています。最大の単体 MVR 蒸発器 (1968 年、Whiting Co.、後に Swenson Evaporator Co.、イリノイ州ハーベイ、イタリアの Cirò Marina で製造)は、塩結晶化装置で、1時間あたり約 400 メートル トンの水を蒸発させ、軸流コンプレッサー (Brown Boveri、後に ABB) を備えていました。このユニットは、1990 年頃に多重効用蒸発器の第一効用へと改造されました。蒸発容量が 10 トン以上の MVR 蒸発器が一般的です。
• MVR ユニットの圧縮比は通常 1.8 を超えません。圧縮比が 1.8 の場合、蒸発が大気圧 (0.101 MPa ) で行われると、圧縮後の凝縮圧力は 0.101 x 1.8 = 0.1818 [MPa] になります。この圧力では、熱交換器での水蒸気の凝縮温度は 390 Kになります。蒸発させたい塩水の沸点上昇(飽和食塩水の場合は 8 K)を考慮すると、熱交換器での温度差は 8 K 未満になります。∆T が小さいと熱伝達が遅くなり、必要な熱を伝達するために非常に大きな加熱面が必要になります。軸流コンプレッサーとルーツ コンプレッサーでは、わずかに高い圧縮比に達する場合があります。
• 熱圧縮蒸発器は、コストはかかりますが、より高い圧縮比を実現できます。圧縮比 2 は可能ですが (場合によってはそれ以上)、駆動蒸気が適度に高圧 (たとえば 16 bar g - 250 psig - 以上) でない限り、駆動蒸気の消費量は吸引蒸気 1 kg あたり 2 kg 程度になります。圧縮比が高いほど、熱交換器が小さくなり、投資コストが削減されます。さらに、コンプレッサーは高価な機械ですが、エジェクターははるかにシンプルで安価です。

結論として、MVR マシンは大規模でエネルギー効率の高いユニットで使用されますが、熱圧縮ユニットはエネルギー消費が大きな問題にならない小規模なユニットでの使用に限定される傾向があります。

このプロセスの効率と実現可能性は、圧縮装置 (ブロワー、コンプレッサー、蒸気エジェクターなど) の効率と、凝縮蒸気と沸騰する「母」溶液/液体に接触する熱交換器で得られる熱伝達係数に依存します。理論的には、結果として生じる凝縮液が過冷却されている場合、このプロセスにより、凝縮液ではなく蒸気が最終製品である場合に失われる蒸発潜熱を完全に回収できます。したがって、この蒸発方法はエネルギー効率が非常に高くなります。蒸発プロセスは、圧縮装置によって提供される機械的作業によってのみ駆動される場合があります。

蒸気圧縮式蒸発器は、ほとんどの蒸発器と同様に、どのような水源からでも十分にきれいな水を作ることができます。たとえば、塩結晶化装置では、結果として生じる凝縮液の典型的な分析では、残留塩の典型的な含有量は 50 ppm以下、または電気伝導率で言えば 10 μS/cm以下であることがわかります。これにより、他の衛生要件が満たされていれば、飲料水が得られます。これは市場で逆浸透や脱塩と競合することはできませんが、蒸気圧縮は、最大 650 g/L の総溶解固形物(TDS)の飽和または結晶化塩水からきれいな水を作ることができる点で、これらと主に異なります。他の 2 つの技術では、TDS が約 35 g/L 以下の水源からきれいな水を作ることができます。

経済的な理由から、蒸発器は TDS の低い水源ではほとんど動作しません。そのような用途では、逆浸透が使用されています。一般的な蒸発器に入る、すでに汽水である水はさらに濃縮されます。溶解固形物の増加により、沸点が純水よりもはるかに高くなります。TDSが約 30 g/L の海水は、沸点上昇が 1 K未満ですが、360 g/L の飽和塩化ナトリウム溶液の沸点上昇は約 7 K です。この沸点上昇は、蒸気圧縮蒸発にとって課題であり、蒸気圧縮機が蒸発を効果的に行うために達成しなければならない圧力比を高くします。沸点上昇によって圧縮機の圧力比が決まることから、これが運用コストの全体的な主な要因となります。

現在、アサバスカ油砂からビチューメンを抽出するのに使用されている技術は、大量の水を必要とする蒸気補助重力排水（SAGD）法です。^[1] 1990年代後半、ゼネラル・エレクトリック・カンパニーのRCCサーマル・プロダクツの元原子力技術者ビル・ハインズは、流下膜式蒸発法または機械蒸気圧縮蒸発法と呼ばれる蒸発器技術を考案しました。1999年と2002年に、ペトロ・カナダのマケイ・リバー施設は、すべての水がリサイクルされ、固形物だけが敷地外に排出される新しい蒸発技術と晶析装置システムを組み合わせたGE SAGDゼロ液体排出（ZLD）システムを初めて導入しました。^[1]この新しい蒸発技術は、SAGD施設で採用されていた古い水処理技術に取って代わり始めました。古い水処理技術では、温石灰軟化法を使用してシリカとマグネシウムを除去し、弱酸性陽イオン交換を使用してカルシウムを除去していました。^[1]蒸気圧縮蒸発プロセスは、蒸気生成に従来使用されていた貫流蒸気発生器(OTSG) に代わるものです。OTSG は一般に天然ガスで稼働しますが、2008 年には天然ガスの価値が高まっていました。蒸発器の水質はドラムボイラーに必要な 4 倍優れています。蒸発器を標準ドラムボイラーと組み合わせると、より「信頼性が高く、運用コストが低く、水の使用量が少ない」蒸気が生成されます。2008 年までに、アルバータ州のオイルサンドの SAGD 施設の約 85% が蒸発技術を採用しました。「SAGD は、サイクリック蒸気刺激(CSS) などの他の熱処理とは異なり、100% 品質の蒸気を必要とします。」^[1]

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